锆合金管材氢化物微观结构及取向研究

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锆合金具有热中子吸收截面小、机械性能好、耐高温、良好的耐腐蚀性能等综合优异性能,因此其主要作为核燃料的包壳材料而广泛应用在核反应堆中。核反应堆的运行过程中,包壳材料在高温水腐蚀下会吸氢,而氢在锆合金中的固溶度十分有限,当锆合金中的氢含量超过极限固溶度时就会析出氢化物。氢化物在所有温度下都是极易脆断的,会导致包壳材料韧性下降,并最终导致包壳材料的破坏。本文以国产Zr-Sn-Nb新锆合金管材为研究对象,该管材有去应力和再结晶两种加工状态。采取气相渗氢的方法对管材进行渗氢,并通过控制不同的渗氢保温时间(4h、6h和8h)得到不同的氢含量。采用光学金相显微镜(OM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)对比分析了不同加工状态不同氢含量管材中氢化物的形貌、分布与取向,另外还通过极图分析研究了氢化物与α-Zr基体之间的晶体学取向关系。得出的主要研究结论如下:(1)氢化物金相显微照片显示,两种加工状态下的氢化物均主要沿着管材的周向分布,径向氢化物都比较少,其中再结晶态的径向氢化物比去应力态的多,再结晶态管材的平均氢化物取向因子f40为0.1623,去应力态管材的为0.0414。另外,无论是根据氢化物取向因子f40统计还是金相照片,均发现沿着管材的内中外区域径向氢化物依次增多。(2)对管材织构分析显示,去应力态和再结晶态管材均为典型的C轴双峰织构,去应力态中存在<10110>//AD织构,再结晶态中存在<11210>//AD织构。去应力态和再结晶态的取向因子均呈现FRD>FTD>FAD,即径向织构占主导,根据径向织构容易得到切向分布的氢化物,得出管材中切向的氢化物更多,这与实验结果一致。(3)氢化物EBSD分析显示,氢化物大多沿着管材的周向分布,再结晶态渗氢8h的径向氢化物最多。根据氢化物在Zr基体中的析出位置,可将氢化物分为晶内氢化物、晶间氢化物和穿晶氢化物,这三种氢化物在去应力态和再结晶态管材中均有发现。另外,还发现了点状氢化物,相比之下,去应力态中更多,且有些点状氢化物有互相连接形成条状氢化物的趋势。(4)通过极图分析Zr基体与氢化物间的晶体学取向关系显示,去应力态和再结晶态管材的晶内氢化物与Zr基体的取向关系均为(0001)α∥{111}δ。去应力态管材中只有一条晶间氢化物与α-Zr基体的取向关系为{10117}α∥{111}δ,其余均为(0001)α∥{111}δ,再结晶态管材中只有一条晶间氢化物与α-Zr基体的取向关系为{10110}α∥{111}δ,其余也均为(0001)α∥{111}δ。(5)通过TEM对再结晶态管材渗氢6h和8h下的氢化物分析显示,氢化物为长条的棒状结构,衍射花样鉴定其均为fcc结构的δ-ZrH1.66(PDF卡片编号34-0649)。其中在渗氢6h下只观察到了处于晶粒内部的氢化物,长度很短,只有200-500nm;在渗氢8h下既观察到了处于晶内的氢化物,也观察到了横穿晶粒的氢化物,晶内氢化物长约3-5μm,穿晶氢化物长约8-10μm。
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